（机械电子工程专业论文）cnc齿轮测量中心编程系统.pdf

学科：机械电子工程 研究生签字 、宁坤 c n c 齿轮测量中心编程系统 勰溯签宇：兹4 - 摘要 c n c 齿轮测量中心作为一种通用性强、自动化程度高、高精度的测量系统， 是8 0 年代迅速发展起来的机电结合的高技术齿轮量仪。与传统的机械式量仪相 比，不仅能测量齿轮，还可以测量复杂刀具、涡轮、蜗杆、凸轮等各种复杂工件。 其功能和可靠性已经历了多年的实践验证，可广泛用于汽车、航空、机床工具等 科研部门及工厂计量室。现阶段，c n c 齿轮测量中心不仅在硬件方面还是软件 方面都有了一定的发展，但是，在软件方面是针对具体零件，具体测量项目，开 发出专用测量软件。当需要加入新的测量项目时，就要求软件开发人员开发出相 应的测量软件，造成了测量机的成本的升高。因此，需要有一个通用型、实用性 软件系统的出现。于是，本文针对c n c 齿轮测量中心的现有硬件和软件的特点， 研究了一套能使用户自行编制零件的测量程序的编程系统。 论文主要进行了以下具体研究工作：使用组件对象模型的技术对现有的硬件 驱动动态链接库进行了升级改进；通过对齿轮测量机的运动状态和软件的实现的 研究，设计开发出了一套供用户使用的指令代码集；采用面向对象的编程语言 v i s u a lc 十+ 对用户使用指令代码集进行编制的测量程序进行译码解释，控制硬件 的运动；设计c n c 齿轮测量中心的编程系统的用户界面；实验验证本系统的可 用性。 关键词：c n c 齿轮测量中心；编程系统；动态链接库；指令代码集：译码 解释模块；用户界面 c n cg e a rw h e e l m e a s u r i n g c e n t e r s p r o g r a m m i n gs y s t e m d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a la n d e l e e t r o n i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n t ：多k 寥口 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： t 破 a b s t r a c t c n c g e a rw h e e lm e a s u r i n gc e n t e rd o e st h eh i g h - a c c u r a c ym e a s u r i n gs y s t e ma st h es t r o n g ， a u t o m a t i cd e g r e eo fak i n do f c o m m o n a b i l i t y ，i ti st h eh i g h - t e c hg e a rw h e e la m o u n ta p p e a r a n c e t h a tt h ee l e c t r om e c h a n i c sd e v e l o p e d r a p i d l yi nt h ee i g h t i e sc o m b i n e s c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a l m a c h i n e r yt y p ea m o u n t ，i tc a nm e a s u r eg e a rw h e e l ，c o m p l i c a t e dc u t t e r ，t u r b i n e ，w o r m ，a n d v a r i o u sk i n d so fc o m p l i c a t e dw o r kp i e c e i t sf u n c t i o na n dd e p e n d a b i l i t yh a v ea l r e a d yg o n e t h r o u g hp r a c t i c ef u rm a n yy e a r st ov e r i f y i tc a l lb eu s e di ns u c hs c i e n t i f i cr e s e a r c hd e p a r t m e n t s a s t h ea u t o m o b i l e ，a v i a t i o n ，m a c h i n et o o l ，e t c a n df a c t o r ya n dm e a s u r et h er o o me x t e n s i v e l y a tt h e p r e s e n ts t a g e ，c n cg e a rw h e e lm e a s u r i n gc e n t e rd o e sn o tm e r e l ya l lg o tc e r t a i nd e v e l o p m e n ti n t h eh a r d w a r eo rt h es o f t a r e h o w e v e r , a l lm e a s u r et h ep r o j e c tc o n c r e t e l yt ot h ec o n c r e t ep a r ti n s o f t w a r e ，d e v e l o pt h es p e c i a l - p u r p o s es o f t w a r eo fm e a s u r i n g w h e nn e e d i n gt oa d dt h en e w m e a s u r e m e n t p r o j e c t ，i tr e q u i r e s t h es o f t - w a r e d e v e l o p e r t o d e v e l o p t h e c o r r e s p o n d i n g m e a s u r e m e n ts o f t w a r e ，a n dh a v ec a u s e dt h er i s i n go f t h ec o s to f t h em e a s u r e m e n tm a c h i n e s o ，i t n e e d st h ea p p e a r a n c e so fat y p ei nc o m m o nu s e ，p r a c t i c a b i l i t ys o f t w a r es y s t e m t h e n ，t h i st e x t d i r e c t s a g a i n s tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x i s t i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc n cg e a rw h e e l m e a s u r i n gc e n t e r ，h a v es t u d i e dt h ep r o g r a m m i n gs y s t e m so f a s e to f m e a s u r e m e n t p r o c e d u r e s t h a t c a nu s et h ef a m i l yt ow o r ko u tt h ep a r tb yo n e s e l f t h et h e s i sh a sc a r r i e do nt h ef o l l o w i n gc o n c r e t er e s e a r c hw o r km a i n l y ：i m p r o v i n gt h ed l l w h i c hc a nd r i v et h e e x i s t i n g h a r d w a r ew h i c hu s i n gc o m p o n e n to b j e c t m o d e l ：t h r o u g ht h e s t u d y i n go f r e a l i z a t i o no ft h em o t i o ns t a t ea n ds o 日c w a r et ot h em e a s u r i n gm a c h i n eo f g e a rw h e e l ， d e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n gas e to fc o d ec o l l e c t i o n so fo r d e ra v a i l a b l ef o ru s e r ：a d o p t e df a c i n g t a r g e tp r o g r a m m i n gl a n g u a g ev i s u a lc + + u s e t oe x p l a i no r d e rc o d ec o l l e c to fu s e r sm e a s u r e m e n t p r o c e d u r e ，a n dc o n t r o l l e d t h e m o t i o n o f t h eh a r d w a r e ；d e s i g n i n g t h e i n t e r f a c e o f t h e u s e r s o f t h e m e a s u r e m e n tp r o c e d u r ep r o g r a m m i n gs y s t e m so fc n cg e a rw h e e lm e a s u r i n gc e n t e r ；t h e e x p e r i m e n t v e r i f i e st h eu s a b i l i t yo f t h i ss y s t e m k e y w o r d s ：c n cg e a rw h e e lm e a s u r i n gc e n t e r ；p r o g r a m m i n gs y s t e m ：d y n a m i c sl i n k l i b r a r y ；c o d e c o i i e c t i o no f t h eo r d e r ；t h ed e c i p h e re x p l a i n st h em o d u l e ；u s e r si n t e r f a c e 加 c-止 l 绪论 1 绪论 1 1 坐标测量机的国内外发展现状 坐标测量机的测量原理是将被测零件放入其容许的测量空间以获得被测几 何型面上各测点的坐标尺寸。根据这些点的空间坐标值进行计算，求出被测零件 的几何形状位置尺寸及其不确定度。坐标测量机是以精密机械为基础，综合应用 光学、电子技术、计算机技术等先进技术的测量仪器。称它为坐标测量系统更名 副其实，它包括：测量机、数据处理及控制系统、测量元件、软件四部分【”。 1 ，1 。1 坐标测基机硬件的现状及发展趋势 无论是三坐标测量机还是四坐标测量机，都是测量系统中测量原件的核心， 是集光学、精密机械、电子技术和计算机技术为一体的高精度、高效率的自动化 检测设备1 2 j ，它能够实现许多传统测量器具所不能完成的测量工作，其效率比传 统的测量器具高出十几倍乃至几十倍，而且坐标测量机很容易与c a d 连接，把 测量结果实时的反馈给设计及生产部门，借以改进产品设计或生产流程，其已经 并将继续取代许多传统的长度测量仪器。已广泛地应用于机械制造、仪器仪表、 电予、航空和国防工业等部门，特别适用于测量箱体类零件、模具、精密铸件、 电子线路板、汽车外壳以及飞机形体等带有空间曲面的工作。随着计算机辅助和 先进制造技术的发展，坐标测量机几乎成为f m s 、c i m s 等先进制造业生产线上 的主要检测工作单元1 3 l 。 坐标测量机作为一种通用性强、自动化程度高、高精度测量系统，其首先将 各种几何元素的测量转化为这些几何元素上一些点集坐标位置的测量。在测得这 些点的坐标位置后，再由软件按一定的评定准则算出这些几何元素的尺寸、形状、 相对位置等。这一工作原理，使坐标测量机具有很大的通用性与柔性。随着科技 与生产的发展，坐标测量机也应随之发展【5 j 。 坐标测量机的应用将向多元化、差异化方向发展。趋势包括：更高的精度、 更高的动态特性以及更高的生产效率、强大的功能与人性化使用的高度统一、功 能更加强大。范围更加广泛的通用测量软件的产生。虽然近几年，测量机的市场 发展较快，但是面对着入世后日益加剧的市场竞争，我们必须在吸取他人的技术 的基础上加以创新，包括硬件( 如测头精度的提高) ，软件( 通用软件的产生) 。其 发展趋势具体如下： a 提高测量精度：提高标尺精度，提高结构精度，减少环境因素带来的影 西安工业学院硕士学位论文 响，适当的采样策略； b 提高效率，可通过改进测量机的结构设计，减轻运动部件的质量；提高 控制系统性能；采用飞测与扫描测量方式；对动态误差进行补偿；提高软件的运 行速度；对可靠性与安全保护提出更高的要求这几个方面来提高测量机的工作效 率： c 发展探测技术，完善测量机配置。主要体现在测头的精度的提高方面； d 采用新材料，运用新技术。如铝合金、陶瓷材料以及各种合成材料在坐 标测量机中的应用，其导热好，不易变形； e 发展软件技术，发展智能测量机； f 控制系统更开放5 j 【6 】【竹。 1 1 2 坐标测量机测量软件的发展现状 坐标测量软件作为坐标测量机系统的一个重要组成部分。对测量机的功能起 着举足轻重的作用。因为测量机主要的功能就是采集数据，如果不谈精度和采集 方式的话，测量软件就决定了用户能否得到所需要的最终结果。因此，完全一样 的测量主机，在配置不同的软件包时，将会有完全不同的表现性能。 至今为止，坐标测量机软件包的发展经历了三个重要阶段：第一阶段是d o s 操作系统及其以前的时期，测量软件包能够实现坐标找正、简单几何要素的测量、 形位公差和相关尺寸计算；第二阶段是w i n d o w s 操作系统和3 2 位w i n d o w s 9 5 9 8 ， 这一阶段计算机的内存容量和操作环境都有了极大的改善，测量软件包在功能的 完善和操作的友好性上有了飞跃性的改变，大量的采用图标和窗1 3 显示，使功能 调用和数据管理变得异常简单；第三阶段以将c a d 技术引入到测量软件为标志， 是一次革命性的改变喁1 。 目前，国外各坐标测量机生产厂家的最新测量软件，均采用模块化程序结构， 功能齐全，且各功能可根据用户需要任意组合；而国内各主要坐标测量机生产厂 家，由于各种原因，基本上是用进口软件配备主机【9 】。如今，测量机的软件所覆 盖的范固越来越大。它不仅包括基本软件，如运动管理、测头管理、零件管理、 输出管理、转台管理等软件，还包括一些特殊软件，如轮廓测量、统计计算软件、 齿轮测量软件、坐标系的转换、测头半径补偿、控制软件、数据处理软件、诊断 软件，还包括误差补偿软件，c a d 、c a m 软件与网络通信软件等。从每一类软 件的内容来看，也越来越丰富。测量软件的编制是根据被测对象的要求而定的。 被测零件的形体可分为由规则几何元素和非规则几何元素。前者的测量可由基本 测量软件完成，而后者的测量由轮廓测量软件完成。除此两个主要测量软件外， 各个制造厂还配有专用的测量软件和其它特殊功能的软件。如最佳配合测量软 件，此软件运用于配合件的测量，是应用最大实体原则检测互相菁己合的零件。统 计分析测量程序软件，是为了保证批量生产质量的一个测量软件。齿轮测量软件， 顾名思义是专为测量齿轮的。随行夹具测量软件是被测零件与夹具之间建立一种 互相连接的一个程序，一般用于多个相同零件的测量。另外还有示教程序、计算 2 西安工业学院硕士学位论文 机辅助编程程序、转台程序、温度补偿程序、坐标精度程序和其它专用程序，如 为测量某种特殊零件的测量程序( 如曲轴测量程序、绘图程序等) 0 0 1 “1 1 1 2 1 。 各个测量设备生产商在生产出测量机成品的同时，都配套有专用的测量软 件。如西安爱德华测量设备有限公司的a u t o m e t 坐标测量机软件是a e h 公司 专为中国用户而设计，简单易用的全中文操作界面软件系统，使用户能在最短的 时间内掌握并轻松使用。a u t o m e t 基于w i n d o w s 平台，开放式的编程系统， 支持各种接触式和非接触式测头。a e h 公司为适应国内用户的要求，开发出了 一系列的专用测量软件：叶片评定测量软件，齿轮评定软件，c a d 接口软件， s p c q c c 统计与质量控制软件，螺纹测量软件。北京机床研究所开发的j c s 2 0 专用软件，采用面向对象的程序设计方法和模块化的程序设计结构，将测量机要 实现的每一个小功能都当作一个相对独立的对象，每个对象在程序中都由各自的 类来实现。这样，如果要修改一个对象，只要修改程序中相应的类就可以了，有 利于整个软件的增补、修改和维护，其是测量软件的一个新发展【1 4 i t ”】。 测量机每项叛技术的发展，都必须有相应配套的软件跟上。软件是区别坐 标测量机的关键。软件是功能容量、用户界面性能及应用扩展等高性能的关键i ”】。 可以说测量机软件是坐标测量机中发展最为迅速的一项技术。软件的发展将使坐 标测量机向智能化的方向迈进。很难对智能坐标测量机下一个定义，因为它在不 断地发展，但其中关键一项即是能进行自动编程。 虽然各个厂家设计出很多的专用软件来满足用户的需要，可是随着数控技术 的发展，也带来了不少问题，这主要有两方面的原因。首先是计算机技术迅速发 展的同时，生产数控坐标测量机的厂家所用的控制系统各异，属于一种封闭式的、 专用体系结构，自身开放性、可扩展性较差，制造厂家无论对硬件还是软件都拥 有不透明的、不公开的技术，这就增加了用户对厂家的依赖性：同时，各厂家在 推广新产品时，其产品没有一个强有力的体系结构予以支撑，往往花很大代价去 研究用户的支撑环境，在控制软件的开发上缺乏持久开发的能力，使用户不能对 其进行高可靠性的软件扩展。随着生产要求的不断提高以及数控技术的发展，人 们还发现，如果用户需要增加所需的特殊功能，一般只能由系统制造商从头开始 设计新的系统软件，而不能方便的利用已有的系统硬件和软件。数控系统的这种 重复研究、开发，造成大量人力、物力的浪费，增加了生产成本。因此有必要开 发出能使用户根据自己的需要，来设计自已的测量程序、测量路线的平台【l ”。 测量软件包的发展，首先是要突破一个企业、一个计量室、一台测量机、一 套软件这样的传统使用模式，对每个生产线用户的特殊要求进行独立编程是不科 学和不经济的，因为有其工作周期和可靠性测试的闯题。雨利用通用软件包进行 定制是一个通用的解决方案。这就要求通用软件包具有很强的定制和二次开发 能力。测量软件包的多样性和性能差别是越来越多的用户希望具有自由选择权， 希望能有一套具有平台无关性的软件包的出现。 1 23 9 0 3 型c n c 齿轮测量中心简介 c n c 齿轮测量中心作为一台四坐标测量机，是8 0 年代国际上迅速发展起来 的机电结合的高技术齿轮量仪1 19 | ，8 0 年代后期国外产品开始进入我国。与传统 的机械式齿轮量仪相比，c n c 齿轮测量中心不仅能测量齿轮，还可以测量复杂 刀具、涡轮、蜗杆、凸轮、曲轴等各种复杂工件，测量精度高、速度快、功能强、 一次装夹可以自动完成工件的多项参数的测量，同时解决了许多用传统方法无法 检测的技术难题。如图1 a 所示。 c n c 齿轮测量中心由机械系统、数控系统和软件三大部分组成。在工作原 理上，由于c n c 齿轮测量中心的测量运动由数控系统来实现，从而可实现各种 复杂的测量运动，以满足不同工件、不同项目的测量要求。测量时，不需要标准 齿轮、标准蜗杆、基圆盘等机械标准件。测量结果通过测量数据与存储在计算机 中的理论模型相比较得出。因此，c n c 齿轮测量中心的测量精度主要取决于测 头、光栅等传感器的精度和4 个相对独立的导向结构( 3 个直线导轨和一个主轴) 的导向精度，易于实现很高精度的测量。该测量系统是基于c a m a c 总线的， c a m a c 通过c c u ( 机箱控制单元) 连接到计算机总线上。硬件系统由电机驱 动，光栅计数，a d 转换，及开关量抛l 等单元组成。通过传感器、调节器等， 传送信息、数据和命令，来对测量机构进行控制。 图1 13 9 0 3 型齿轮测量中心 数控系统是c n c 齿轮测量中心的关键技术。齿轮测量中心数控系统的主要 功能是接收计算机发出的指令，控制机械部件实现所要求的测量运动；并将机械 部件的运动状态和测头的测量信号，通过传感器采集进来，送给计算机。我们自 行研制的c n c 齿轮测量中心专用数控系统，采用模块化设计思想，即将数控系 统按功能划分为几个模块，每个模块实现规定的功能，模块间尽量减少耦合。采 用模块化设计的特点是： f 1 系统组建灵活。可根据测量仪器的功能要求，组建成2 轴、3 轴、4 轴或 5 轴的控制系统，避免功能浪费，降低系统成本。 b 系统升级换代容易。在总体设计时，数控系统对各模块的功能给予了规 定，至于如何实现功能，则属于模块内部设计。我们的数控系统在1 9 9 5 年已研 4 西安工业学院硕士学位论文 制成功，后来经过多次改进提高，譬如，在一些模块中采用c p l d ( 复杂可编程 逻辑控制器件) 和d s p ( 数字信号处理器) 等新技术，使齿轮测量中心的测量效率 大幅度提高，达到或超过国内外同类产品水平，但数控系统总体结构相对稳定。 这样，一方面能够向用户提供最先进的技术，另一方面又不给齿轮测量中心的组 织生产造成困难。 c 与计算机相对独立。我们的数控系统经过多年研究，自成体系。与计算 机通过一个接口卡联接，当计算机换代时，只需要升级接口卡，其他部分保持不 变。众所周知，计算机升级换代非常快，如果选用现成的电机驱动卡、数据采集 卡，利用计算机内部总线( 如e t s a 总线) 上搭建数控系统，用不了几年，很可能 整个数控系统需要重新研制。所以，数控系统应该与计算机相对独立。否则，批 量生产要冒很大技术风险，也不能保证用户以后的权益。 c n c 齿轮测量中心的机械部分不需要复杂的机械展成传动链，机械结构摆 脱了传统齿轮量仪的结构限制。通过计算机控制，底座台面的三个直线运动轴( r 向、t 向、z 向) 和一个旋转运动轴( 0 ) 在各自的伺服系统驱动下实现联动。 根据被测工件的参数，使三个直线运动上的测微仪相对随旋转坐标轴转动的工件 产生所需要的测量运动。在整个测量过程中，计算机采集存储测微仪的偏移量和 同一时刻各坐标轴实际坐标值，经过数据处理，与被测项目的理论值比较，得出 测量结果。整个测量过程由计算机自动完成。 c n c 齿轮测量中心的软件实现主要是由模块来实现的。c n c 齿轮测量中心 的软件系统包括总控软件、驱动控制软件、测量软件、故障诊断软件、测量数据 处理软件、测量报告输出软件等。采用模块化结构，已经开发完成的模块有：齿 轮测量模块、滚刀测量模块、剃齿刀测量模块、插齿刀测量模块、蜗轮测量模块、 蜗杆测量模块等。可以抽象的说软件的总功能使根据操作员的指令，按照规定的 运动规律向硬件系统发出驱动命令，并从硬件运动中读取数据，进行规定的误差 处理分析，给出最终测量结果。 我国所生产的c n c 齿轮测量中心，基本上可以满足国内对高档齿轮量仪的 需求，只要技术性能指标达到或超过国外同类产品。但是要满足市场需求，跟上 国际c n c 齿轮测量中心的发展趋势，还要在以下几方面加大开发力度： a 。补齐产品的规格系列，实现对小模数齿轮和大齿轮的测量； b 研究直线电机等新技术在齿轮测量中心上的应用，提高产品的档次； c 加快软件开发力度，以满足用户不断提升的需求。 由上所述，可见，软件是比较关键的技术体系。 1 3 本课题的主要研究工作及其要解决的问题 本课题以c n c 齿轮测量中心现有软件、硬件体系为理论支持，以v c + + 6 0 作为系统开发的平台，应用面向对象的方法，采用w i n d o w s 编程技术进行数 控系统的研究开发工作。本软件系统是一个集代码编辑、解释于一体的开发系统。 西安工业学院硕士学位论文 坐标测量机的测量过程不同于数控机床的加工、测量工程，它是使用某种特 定的测量软件来进行测量工作，我们是要把c n c 齿轮测量中心的功能开发的如 同数控机床一样，用户可以根据类似于数控语言样的代码集，考虑自己的工件 的具体情况来编制测量程序，即提供给用户一个可以进行二次开发的平台。图 1 2 所示为整个软件的结构。其内容包括： 图1 2 测量程序编程系统的开发结构 a 设计一套适用于c n c 齿轮测量中心的指令系统，即代码设计。代码的编 制采用英文缩写形式，类似于现有数控系统中的a p t 语言，形象、生动的体现 其内涵，便于用户掌握。可以实现c n c 齿轮测量中心的基本运动控制，数据的 采集，计算，图形的输出等功能。 b 系统主体部分，即用户代码的解释模块。主要由编辑模块、解释模块来 完成。 测量程序的编辑、修改、标记可以由系统编辑模块来实现；程序的解释由解 释器模块来完成。通过代码的解释可以较好的完成、达到用户的要求，其要求必 须要准确。 c 升级硬件驱动动态链接库，即软件平台的接口部分的改进。这是本软件 的底层设置。 这部分直接体现着硬件( c n c 齿轮测量机的机械本体) 所能实现的功能。 将原有的整体状态的动态链接库重新改写成为一个能根据部分硬件装置的变动 而部分改进的动态链接库，其基本要求是无需改写原有动态链接库的攘体，并且 硬件功能要能很好的实现。 这三个层次通过彼此间的接口函数进行连接。 1 4 本课题的研究意义 本课题研究主要是针对c n c 齿轮测量中心的。c n c 齿轮测量中心是西安工 6 西安工业学院硕士学位论文 业学院精密与超精密j n t 及测量工程技术研究中心的拥有自主知识产权的高技 术测量仪器，其功能和可靠性已经历了多年的实践验证，3 9 0 3 齿轮测量机是c n c 齿轮测薰中心的重要组成部分，是哈尔滨量具刃具厂采用西安工业学院测量与控 制技术研究所的科研成果而开发的商品化测量中心。可广泛应用于汽车、航空、 航天、机床工具、仪器仪表、国防工业等科研部门及工厂计量室。现阶段开发出 的齿轮测量软件都是针对具体零件，开发出专用软件。而对于每个专用的零件测 量软件，究其本质，它们又是只可以完成某些特定的主要项目的检测。现有的软 件都是一些固定化的程序步骤，指令串控制测头运动动作的完成，所出现的各种 类型的软件的通用性不是很强，其软件开发语言具有专一性，而且在用户测量的 过程中，会遇到很多实际特殊的情况，这些情况是在已有的软件上所没有考虑到 的；此外，用户在给测量机配备软件时，需要考虑到很多情况，需要配备各种软 件，软件配置的价格较高，有时软件的功能虽十分丰富、完善，但实际上相当部 分用不到，因而造成资源浪费，成本价升高。因此，本课题所开发的软件极大的 改善了以往软件的不足，体现了软件的通用性，方便了用户在使用过程中，能根 据实际需要来编制测量控制程序，无需再购买种类繁多的软件。并且将c n c 齿 轮测量中心升级为一个不只限于测量齿型工件，并且适用于很多种类的回转体零 件。因此测量程序编程系统软件的开发不但能给c n c 测量中心带来良好的经济 效益，而且能推动坐标测量机软件的发展，有着一定的理论意义和实践意义 2 。 2 测量程序编程系统软件需求分析 2 测量程序编程系统软件需求分析 c n c 齿轮测量中一心的测量程序编程系统软件，简称编程系统，是一个集代 码设计，代码解释，硬件控制于一体的编程系统。其控制硬件为c n c 齿轮测量 中心，软件的形式类似于现已成熟的数控机床的数控系统。对于系统开发人员而 言，需要设计出一套供用户进行使用的程序代码，并且能对用户编制的程序进行 解释。对于用户而言，只需要熟悉系统开发人员所提供的一套代码，严格按照代 码的使用规则进行测量项目的测量程序的编制，就可以较好的控制硬件的运动， 并且得到测量项目的测量结果曲线，达到预期的测量目标。 2 1 测量程序编程系统开发目标及其功能 2 1 1 系统结构 测量程序编程系统的总体结构如图1 2 所示。除硬件部分步 ，本系统软件设 计所要包含的内容分为三个部分：提供给客户进行二次开发的代码，译码解释器， 接口函数部分。译码解释器对用户编制的程序进行编译，将其解释成与接口函数 相匹配的代码，并且调用接口函数，对硬件部分进行控制。 2 1 2 开发目标 本编程系统的开发其对用户的要求是必须要拥有很好的机械设计、零件计算 的知识体系，丽对用户的计算机编程技能要求不是很高，只要能读懂我们所给定 的代码即可。这点不同于以前的专用软件，他们不仅要拥有机械知识，并且还要 掌握各种专用软件的操作过程，而且还要依赖专门的测量机软件开发人员开发专 用的测量软件，在很大的程度限制了测量机的推广，并且浪费了人力、物力。 因此，在本系统开发中应当遵循如下的开发目标： a 易用性易用性是自动编程系统的最大的优势之一。使用原有专用软件的 人员，必须很好的了解软件的操作体系，而且在使用过程中，若某个参数的设置 出现偏差，将会导致所有的测量失败。而采用本编程系统，用户经过简单的培训 甚至无需培训就可很快掌握，对使用者的要求降至“傻瓜”级，解决系统的易用 性，使齿轮测量机在用户手中真正得到充分的利用和发挥实际的效率。 b 开放性在本系统的开发过程中充分考虑了未来对二次开发以及软件的 维护。在软件的开发过程中尽量做到模块化，标准化。采用模块化的分析方法， 8 西安工业学院硕士学位论文 即面向对象的方法来实现，在动态链接库的升级方面，采用c o m 的面向对象的 标准来实现，利于以后的软件系统的改进和二次开发。 c 经济性使用本系统与去购买各种不同的专用软件来比较，具有不可比 拟的价格优势。 d 通用性在软件开发过程中应当充分考虑到通用性，在本程序系统完成以 后，可以通过适当的改变来适用不同种类的零件的测量。 2 1 ，3 系统功能 进行数控测量必须具备一定的物质条件，即组成本测量机的测量系统的软件 和硬件设备。可以将这些对象分为两大类：测量环境和测量任务。 测量环境是不随被测量零件的变化而更换的对象，如数控系统、机床床身、 测头装置等。而测量任务a p n 量程序是与特定的被测量零件相对应的。因此本编 程系统应具备以下主要功能： a 底层平台具有可更新性，便于添加新的功能。( 即动态链接库的升级) ； b 代码的编制必须完善的体现测量机的主要的、必须所具有的测量运动步 骤： c 能使用户拥有一个友好的人机界面； d 建立文本输入方式，这种文本输入方式要具有完整的文本编辑处理等功 能： e 将代码输入于程序运行框中，在程序运行框中按“运行”按钮，程序就 能够把设备需要的数据送入设备端口中，从而启动设备，同时在屏幕上实现对测 量值的处理结果，即根据用户所给的测量项目的误差公式求得的被测量量的误差 值的误差曲线图形： f 能使测头按照用户编制的程序要求完成测量运动。 2 2 测量程序编程系统的需求分析 软件需求分析是软件生存期中非常重要的一步，也是决定性的一步。只有通 过软件需求分析，才能把软件功能和性能的模糊说明描述为具体的软件需求规格 说明，从而奠定软件开发的基础。 软件需求分析是一个不断认识和细化的过程。该过程将软件计划阶段所确定 的软件范围细化到详细定义的程度，并分析出各种不同的软件元素，为这些元素 找到可行的解决方法。软件分析人员要认真了解用户的要求，细致的迸行调查分 析，把用户“做什么”的要求最终转换成为一个完全的，细致的软件逻辑模型并 写出软件的需求规格说明，准确地来表达用户提出地各种要求【2 l l 。 从测量程序编程系统的功能、性能要求可以看出，本软件从总体上分为四个 相对独立又有联系地部分： 9 西安工业学院硕士学位论文 底层动态链接库的升级； 指令代码集的设计； 代码编辑器的设计； 代码解释器的设计； 下面对各个部分进行功能性能上的界定，从而对软件模型的建立打下一个良 好的基础。 2 2 1 底层动态链接库的升级 它是各c n c 软件的核心，是建立在系统硬件和操作系统基础上的系统软件 集和功能组件对象，提供c n c 功能和系统协调调度、通信等底层支持。在底层 动态链接库的升级模块中，最终生成的动态链接库必须是不能改变原有的硬件设 备，即c n c 齿轮测量机的所有的输出功能，必须与已有的控制软件有可连接性， 与原有的动态链接库有可替换性。并且，经过升级的动态链接库能真正地起到其 硬件功能的改动无关性。 2 2 2 指令代码集的设计 代码集的设计必须要通俗易懂，“见字识意”，例如其形式可以参考已经成熟 的数控机床中的a p t 代码。 此外代码的设计要考虑到控制c n c 齿轮测量机运动的最基本的指令要全 面，例如，要包括“开始”，“结束”指示灯的控制，电机自动与手动的转换等等， 这些都是c n c 齿轮测量中心运动所必须的指令集，在定义基本代码的时候一定 要考虑全面，否则，齿轮测量机运动将无法正常运转。 2 2 3 代码编辑器的设计 这部分包括友好人机界面的表现形式，误差显示，输出视图的形式，以及具 体的输入形式。 在具体的代码程序的输入方式规则的设定方面，是由本系统开发人员给予规 定的，这样做的优点在于便于解释器部分识别用户的程序，很好的读取这些的程 序，从而进行翻译和控制齿轮测量机的正确运动。 2 2 4 代码解释器的设计 这部分可以称之为解释器部分，其功能就是解释器对用户编制的程序进行语 法分析、词法分析，进而进行编译，将其解释成与接口函数相匹配的代码，并且 调用接口函数，对硬件部分进行控制。解释过程要准确无误，能较精确的实现用 西安工业学院硕士学位论文 户的目的。其前提是用户的编程代码也要按照软件开发人员提供的语言规则编 制。 3 动态链接库的升级 3 动态链接库的升级 动态链接库( d y n a m i c s l i n k l i b r a r y , d l l ) 是一个包含了若干个导出函数的可 执行模块，在本质上来说是一个函数包。是在多任务环境中，能使多个应用程序 在同时运行，并且都调用同一个相同的函数时，使它们都可以共享该函数代码的 单个副本，从而减少内存需求。动态链接库除了实现代码的共享，还可以实现其 他资源的共享。并且动态链接库具有模块封装性，只要导出的函数名相同，应用 程序运行一个d l l 的不同版本时，不必重新编译和链接。这使得软件产品在更 新或是升级时，客户程序不必进行改动1 2 “。 3 1c n c 齿轮测量中心的硬件结构及其驱动模块 现有的c n c 齿轮测量中心的系统软件的动态链接库部分是一个基于m f c 常 规的动态链接库，其是一个整体，每个部分都不可分割。若是其中的某个硬件的 功能需要改动，动态链接库的整体构架都要随之改动。 动态链接库所提供的接口函数直接体现着硬件( c n c 齿轮测量中心的机械 本体) 所能实现的功能。在c n c 齿轮测量中心的控制部分中包含有四个完全独 立的单元：电机驱动( m o t o r ) ，光栅计数( c o u n t e r ) ，a d 转换( a d o ) ，及开关量 的输入输出( d i g l o ) 。这四个单元在功能上面彼此完全不同，由c a m a c 总线联 系起来，再由c a m a c 通过c c u ( 机箱控制单元) 连接到计算机总线上，通过 传感器、调节器等，传送信息、数据和命令。来对测量机构进行控制。如图3 1 所示，如果在电机驱动，光栅计数，a d 转换，及开关量的输入输出这四个单元 中的任意一个单元的硬件进行改动，而其它的单元保持不变时，原整个d l l 就 要随之全部重新编写，如此，无论是在人力上还是物力上都是一种资源的浪费， 有必要将其改写成一种能将四个单元在构成结构上分开，便于其独立的改进性 能，但是又要能通过接口函数的调用，构成一个整体。 壬 ，竺。卜、 。彳，么，二h 、：二- f d l9 1 0 fl c o u n t e r ff a d 。 ff m o t o r 1 r e l e a s e 0 。 通过以上描述，可以看出，如果电机驱动装置部分的电机运动方式的转换功 能发生了改变，我们只需要将模块m o t o r 中的i s m o t o r a u t 0 0 函数的具体实现 语句做出调整，只要接口不变，函数的原型不变，即还是i s m o t o r a u t o ，那么i d l 文件不变，整个的m o t o r 动态链接库也都不需要变化。或是，假如整个电机的 功能都发生了改变，那么我们所要做的也只是重新编写关于m o t o r 模块的整个 动态库的代码，其他模块并不需要改变，很好的实现了程序的复用性和独立性。 4 指令代码集的设计 4 指令代码集的设计 4 1c n c 齿轮测量中心的测量原理 c n c 齿轮测量中心的测量工作原理是：计算机根据被测工件的参数控制各 坐标轴的运动，使测头相对工件产生所要求的测量运动。在测头沿工件表面运动 的过程中，计算机不断采集测微仪的示值及同一时刻各坐标轴的实际位置，并存 储起来，这些数据记录了被测型面的实际形状，由计算机与理论型面进行比较， 得出测量结果。 下面以测量渐开线圆柱齿轮的齿形误差为例，具体说明c n c 齿轮测量中心 的工作原理。图4 1 表示用机械展成法测量齿形误差的原理。工件与基圆盘同轴 安装，当基圆盘与导尺作无滑动的纯滚动时，安装在导尺上的测微仪相对工件形 成一条渐开线t = r 。0 ，当被测齿形有误差时，误差大小直接由测微仪的示值 a p 指示出来。如果导尺与基圆之间有相对滑动，所产生的运动误差必将迭加到 测微仪的示值上，最终影响测量结果的准确性。对于c n c 齿轮测量中，由于0 轴 和t 轴分别装有圆光栅和长光栅，测量结果时根据公式4 1 计算： e 1 = p 1 + ( t l r6 0 1 ) ( 4 1 ) 式中，e 。某一时刻的齿形误差值 p l 、t ，、0 ，同一时刻测微仪的示值及t 轴、d 轴的坐标值 图4 1 齿形误差测量原理 西安工业学院硕士学位论文 如果测微仪相对工件准确地沿理论渐开线运动，则公式4 1 右端括号内计算 出来地数值始终为零，齿形误差可直接由测微仪的示值表示。如果运动轨迹偏离 理论渐开线，那么括号内计算出的数值则表示该时刻运动轨迹偏离理论渐开线的 距离，正好与迭加在测微仪示值中的运动误差分量相抵消。因此在测量过程中， 只要在测微仪的量程范围内，实际运动轨迹偏离理论曲线不会影响测量结果的准 确性。在c n c 齿轮测量中心上没有复杂的机械展成运动机构，测量运动由数控 系统的问服电机产生p 。 在具体的测量控制方面，使用专用的齿轮测量软件，其中包含有对齿轮的各 个技术参数的测量模块。测量时，首先调整机床的零位，接羞将渐开线圆柱出轮 的各项技术指标以及采样密度输入到专用的测量软件中，开始运行程序。程序的 运动过程中，自动执行了“碰测头”的步骤。在测量的过程中，电机运转速度是 在软件中已经设置好的。专用软件根据测头在运动过程中所采集的点的坐标值， 以及已经在软件中声明的渐开线齿形计算公式，可以绘出误差图形。 4 2 指令代码集的特点 众所周知，- i 1 好的数控语言，需要能很好的表达用户的需求，能尽可能的 做到简单，易懂。现有数控机床的数控语言，是经过长时间的考验的一门比较成 熟的语言，它的形式简单，很容易掌握。因此，根据以上对测量程序编程系统软 件开发进行的需求分析，得知，本系统也要能开发出一套类似于数控系统的数控 语言的通俗易懂的语言。 代码的设计编写有几个要求，首先，代码的设计要考虑周全，因为c n c 齿 轮测量机是否能正常的运动，主要是靠代码的控制；其次，对于代码的设计也要 考虑到规则的设定，即不能随心所欲的制定代码集，要考虑到是否便于解释器的 解释功能的实现，是否能很好的解释成机器能识别的语言；最后，代码的设计要 清楚、明自、可以参考数控系统的数控语言。 因此，根据我们对c n c 齿轮测量中心硬件的了解，设计出了一套供用户使 用的语言，采用的形式为使用关键词的英文形式。例如，“控制运动”是“g o t o ”， “参数设定”为“p a 删e t e r ”。 本指令代码集的设计，首先要对已有的专用测量软件的测量过程有很好的掌 握，提炼出测量时所必须具备的步骤。由上面所述的渐开线圆柱齿轮的齿形测量 过程中，可以得出若要能较好的驱动c n c 齿轮测量机完成运动控制，必须包含 以下的命令，它们是：“开始”、“结束”按钮的转换，即“等待按钮”命令，“碰 测头”运动、采样密度的设置，运动驱动函数。运动驱动函数中参数( t h a t a 轴、 r 轴、t 轴、z 轴的坐标值) 的设定，测头运动速度的设定。 本系统所设计的指令代码与已有的传统的数控加工系统的数控语言相比，有 一定的区别。 a ，在代码的编制方面，数控加工系统的语言( 以下简称数控语言) 中需要有 插补指令，而本系统中不存在插补的情况。 西安工业学院硕士学位论文 b 数控加工系统中，数控机床的使用存在一定的复杂性，因此，数控语言 的设计中包含有功能代码( g 代码) 以及辅助代码( m 代码和s 代码) 。而c n c 齿 轮测量中心与传统的数控加工系统相比，在硬件方便，有其一定的优越性，使用 较为方便，因此，在本系统的代码设计时，尽可能的将完成一个动作所需要的条 件在一条语句中实现，如控制坐标轴的运动，需要设定主轴的运动速度，运动位 移，于是，在设计运动控制语句时，将这些条件全部声明于“g o t o ”语句之后， 在同一语句行中出现，也就是说，每一语句行中，首先是语句行序号，接着是本 语句行的指令标识符，最后是为了完成本语句指令所必需要的参数设置。每一语 句行的意义都是独立的，不允许不同意义的指令写于一行中。这是同数控语言不 同的一点，在数控语言中，允许将某些不发生冲突的功能不同的代码写于一行中